轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

进口管壁面轴向开槽消除轴流泵特性曲线驼峰

当轴流泵在小流量工况下运行时,由于叶轮进口的冲角增大,导致在叶轮内产生脱流等不稳定流动结构,降低泵的水力性能。该文采用计算流体动力学分析方法对轴流泵内部流场进行了研究,结果表明:该轴流泵的特性曲线存在明显的驼峰区域,在0.3到0.61倍最优流量工况区间,轴流泵的扬程和效率明显下降。在临界失速工况下(0.61倍最优流量工况),叶片吸力面前缘靠近轮缘处及叶片尾缘靠近轮毂处均出现了脱流;在深度失速工况下(0.45倍最优流量工况),脱流进一步发展,并与来流共同作用形成稳定的涡旋结构,阻塞整个流道。为了提高轴流泵在小流量工况下的水力性能,引入一种轴流泵进口管开槽技术,分析其对轴流泵内部流场的影响及驼峰的改善作用。结果表明:在小流量工况下,轴向开槽可以减小叶轮进口环量和冲角,可以减小叶片背部的脱流,轴流泵的驼峰得到明显的改善。开槽深度是改善轴流泵小流量工况下驼峰的重要因素之一,当槽深与叶轮直径比为0.02时,叶轮内的通道涡几乎完全消除,轴流泵深度失速工况点的扬程、效率分别提高了66%和32%,极大地改善了轴流泵的水力性能。沟槽数目越多,槽长越长,消除驼峰的能力越好,60个沟槽与2/3倍叶轮直径的槽长在其他参数相同的条件下消除驼峰的能力更强。该文可为避免轴流泵内部的失速流动以及消除水力性能曲线上的驼峰相关研究提供参考。     

轴流泵叶轮出口尾迹区非定常压力和速度场特性

为了分析轴流泵叶轮出口尾迹和势流交替干扰特性,基于RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对南水北调工程用轴流泵模型进行了数值计算。通过定常预测的外特性结果与试验值进行比较,验证了计算网格和湍流模型的适用性,并在此基础上计算了轴流泵叶轮出口尾迹区非定常流场特性。研究结果表明,通过轴流泵全流场数值计算结果与试验值对比,在最优工况下计算扬程相对误差为4.56%,效率相对误差为2.78%,较好反映了轴流泵内部流动特性;在小流量工况下,轴流泵叶轮出口圆周方向轴面速度存在与叶片数相同的3个主波峰和3个次波峰;随着流量增大,叶轮出口圆周方向速度分布图中的波峰与导叶叶片数相同。在小流量工况和设计工况下,叶轮出口尾迹区压力脉动时域图出现3个主波峰,随着流量增大,额外产生了3个次波峰。基于FFT变换发现不同流量工况下的压力脉动主频均以叶频为主,其他谐频以叶频为基频,呈倍数出现,且主频的幅值随着流量减小而迅速上升。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。     

轴流泵内部流场的二维粒子成像测速试验

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV 内部流场测试的试验台。结构改造包括：采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视化的目的;将传统的锥形扩散式导叶体设计成圆柱状,以减小光学折射的复杂程度;合并转轮室及导叶外筒壁,使之成为一个整体,以消除叶轮区域与导叶区域之间法兰对内部流场的遮挡;将导叶内轴承后移,并加装筋板,使得载荷能够顺利传递到基础中。综合以上手段,成功改造了试验泵段。在PIV试验过程中,利用轴编码器及同步装置,取得了很好的同步效果。同时,以有机玻璃空心球作为示踪粒子,配合新的标定方式,取得了理想的试验效果。从试验结果分析可知：在0.8Qopt流量下,叶轮进口边外缘处受叶顶泄漏影响,使得该处来流向轮毂侧偏转,但叶轮进口前端截面上的流场整体分布较为均匀;叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在的顺时针方向漩涡,对叶轮出口边根部附近的流场造成较大的影响,且叶轮出口边与导叶进口边轴向间隙内的流场具有整体向外缘偏转的趋势;导叶出口以后的流线方向则向轮毂侧偏转,且在出口边外缘处出现局部高速区域。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计

为进一步探索优化高比转速混流泵水力性能的方法,该文选用比转速为803的高比转速混流泵为研究对象,运用商用软件ANSYS CFX 15.0,选取剪切应力传输(shear stress transport,SST)湍流模型对其内部流动进行计算。以高比转速混流泵的水力效率、扬程为优化目标,采用给定沿叶轮叶片轴面流线的速度矩的分布规律来实现对叶片的间接参数化,以描述该速度矩分布的四次多项式的3个参数为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,最后结合NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优,取效率最优个体和扬程最优个体与初始模型进行分析:得到了上述3个个体的速度矩分布规律与各微元段包角沿轴面流线的变化趋势,效率最优与扬程最优时叶片包角,即各微元段包角之和,分别为75.15°、67.85°。给出了0.5倍叶高处叶轮导叶的相对流线、速度、静压分布以及0.2倍、0.5倍、0.8倍叶高处叶片相对弦长的静压分布。试验证明,效率最优个体的效率较初始个体提高了1.12%,与CFD(计算流体动力学,computational fluid dynamics)计算结果 1.33%接近。该优化方法改善了叶轮的水力特性,提高了高比转速混流泵的性能,为高比转速混流泵的优化设计提供了参考。     

机电一体化轴流泵间隙泄漏流流动特性

为研究机电一体化轴流泵间隙泄漏流对泵内流场结构的影响规律及机制,该研究基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX仿真软件对该泵进行不同流量工况(1 674～2 510 m³/h)的全流场瞬态数值模拟。具体分析该泵压力、湍动能和涡量场分布情况,研究转子摩擦损耗和泄漏量随流量变化的关系,并揭示径向速度和叶轮效率的变化规律,明确机电一体化轴流泵的泄漏流流动特性。研究结果表明：在额定工况(2 092 m³/h)下,机电一体化轴流泵电机转子外壁面的机械摩擦损耗扭矩占泵总扭矩的19.1%,且占比随流量的增加而增大;流体流经该泵电机定转子间隙并泄漏回流至叶轮入口,形成射流,使得叶轮入口轮缘位置存在明显的径向流动。该流动导致叶轮流道内径向系数为0.9～1.0的近轮缘位置出现高湍动能、强涡量区域,引起该区域水力损失增大,水力效率降低,且流量越小,影响越为显著。因此,机电一体化轴流泵节能设计的重点在于电机与叶轮协同设计,在满足水力性能的前提下尽可能降低转子摩擦损耗以及间隙泄漏流流动对叶轮进口流场结构的破坏。研究结果可为机电一体化轴流泵的研究及性能提升提供...     

速度矩分布规律的参数化描述及对混流泵性能的影响

为提升设计水平、改进混流泵叶片速度矩分布规律的给定,该文通过理论分析,对速度矩分布规律进行参数化表述,选取无量纲速度矩沿流线分布曲线的相对系数a0与速度矩分布曲线在叶片出口处的导数值P作为速度矩分布参数。基于混流泵叶轮正反问题迭代法设计平台,给定不同速度矩分布参数组合设计了一系列混流泵叶轮。基于SIMPLEC算法,通过求解N-S方程和RNGk-ε湍流模型方程,对混流泵叶轮内部三维湍流流场进行了模拟,获得了相对速度与压力分布,并预估了水力效率。研究表明,速度矩分布参数直接影响着叶片包角与出口边位置,进而影响到叶轮内部相对速度与压力的分布以及流动的稳定性。合理选择速度矩分布参数,有利于增强叶片对于流体运动的控制能力,改善叶轮内部压力分布,使叶轮具有更为优越的水力特性。该文提出的速度矩分布规律参数化方法,为混流泵叶轮设计过程中速度矩分布规律的给定提供了有益的借鉴。     

耦合几何参数与载荷参数的混流泵优化

为进一步提升混流泵优化效果,并探究几何参数和载荷参数与导叶式混流泵能量特性间的响应关系,该研究结合正交试验与数值模拟,对比转速为511的导叶式混流泵叶轮开展参数优化研究。在试验验证数值模拟准确性的基础上,采用反问题设计方法,以0.85Qdes和1.15Qdes（Qdes为设计流量）处泵段水力效率为优化目标,以1.0Qdes处泵段扬程为约束条件,耦合轴面投影几何参数与流线方向载荷参数进行混流泵参数设计。研究结果表明：几何参数Lh和LS（前缘与轮毂及轮缘交点的X轴坐标）与载荷参数Kh、LEs、NCs和Ks（轮毂处中间直线斜率、轮缘处前缘载荷、轮缘处第一加载点横坐标和轮缘处中间直线段斜率）均对混流泵能量特性具有较大影响,在优化设计中均应被重点考虑;与原始模型相比,优化模型在叶轮出口附近具有更加合理的流场分布,可有效减少叶轮下游部件水力损失,其在0.85Qdes和1.15Qdes处的泵段效率分别提升了0.90和2.25个百分点。研究方法可为涡轮机械的参数化优化节约计算资源、最大化优化效果提供参考。     

竖井与轴伸贯流泵装置水力特性比较

为比较竖井与轴伸贯流泵装置的水力特性,借助大型商用CFD软件在水泵水力模型、导叶以及流道总长度保持不变的情况下,对竖井和轴伸贯流泵装置进行了数值仿真模拟计算,并对竖井式贯流泵装置外特性进行了试验验证,试验结果表明设计工况点扬程和效率的模拟结果和试验误差在1%以内,非设计工况误差偏大。计算结果表明:进水流道水力损失较小但是能够影响着水泵性能的发挥,竖井与轴伸进水流道出口的面积加权均匀度分别为92.8%、95.2%,1.25倍设计流量工况下,叶轮的效率在竖井内比在轴伸贯流泵装置内效率最多低1.3%。出水流道的水力损失较大并影响着泵装置的性能曲线,轴伸与竖井出水流道水力损失最大值出现在0.59倍设计流量工况点,此时轴伸出水流道内水力损失值为0.459 m,竖井直管出水流道内水力损失值为0.741 m,轴伸贯流泵装置效率比竖井高了3.5%。算例中扬程以1.27 m为分界线,扬程低时竖井贯流泵装置整体性能较好,扬程高时轴伸贯流泵装置性能较好。该研究可为低扬程泵站的选型提供参考。     

端壁开缝改善轴流泵驼峰的机理

为了探索可有效抑制轴流泵特性曲线驼峰区的方法,该研究针对某轴流泵开展端壁沿轴向开缝的数值模拟研究,分析缝数目、缝长度和缝角度对轴流泵性能的影响规律,结合全通道非定常模拟揭示端壁开缝对轴流泵驼峰区的改善机理。研究结果表明,端壁开缝能够有效抑制轴流泵的驼峰现象,失速工况的扬程和效率分别提高了83.5%和8.13%。增加缝的数目和缝长可提高开缝抑制驼峰的能力,但缝过长会降低设计工况的效率,在一定范围内增加缝的径向倾角有利于驼峰区的改善,但不宜超过45°。在驼峰工况区,叶顶泄漏流呈旋涡状向叶轮进口方向发展,与来流共同作用堵塞叶顶通道,导致叶顶区域扬程突降。在叶片正背面压差作用下,缝内建立的喷射与抽吸的流动循环可使相对液流角在0.9倍相对叶高处以上部分明显降低,最大降幅62°,平均泄漏强度降低41.4%,叶顶中部附面层厚度降低18 mm,有效抑制由叶顶泄漏涡与主流相互作用造成的堵塞,并可削弱叶顶部位由叶顶泄漏涡等二次流诱发的压力脉动,是改善轴流泵驼峰区以及提升小流量工况效率的原因。端壁开缝具有改善轴流泵驼峰的巨大潜力。     

环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响,该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上,以反问题设计为基础,结合最优拉丁超立方抽样法,径向基神经网络模型和多岛遗传算法,以0.8Qdes、1.0Qdes和1.2Qdes处泵段加权效率为优化目标（Qdes表示设计流量）,以1.0Qdes处扬程变化小于3%为约束条件,在自由涡设计（叶轮出口环量恒定分布）和强迫涡设计（叶轮出口环量线性变化）两种不同方案下分别对比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行参数化优化,并对优化结果进行对比分析。研究结果表明：以轮毂处环量值作为翼展方向环量分布控制参数,结合连续性方程、能量方程和径向平衡方程,对叶轮出口处环量分布进行计算是可行的;局部敏感性分析表明环量控制参数对优化结果具有较大影响,在优化设计中应该被考虑;自由涡设计优化结果的加权效率为84.14%,而在强迫涡设计中该加权效率为85.08%,且两者扬程均满足约束条件,内流分析表明强迫涡设计中效率的提升主要由叶轮出口附近流态的改善引起。研究结果可为同类型涡轮机械的优化设计提供参考。     

基于不等扬程的离心式长轴泵的优化设计与试验

为使离心式长轴泵能够在不同工况下高效运行,该文以500GJC-32.3×3型离心式长轴泵为例,对其进行优化,首先根据传统方法估算离心式长轴泵叶轮参数,通过正交方法对离心式长轴泵叶轮进行优化设计,对正交试验结果进行极差分析,得到了叶轮几何参数对离心式长轴泵扬程和效率影响的主次顺序。综合考虑各参数对离心式长轴泵性能的影响,选取重要因素,基于不等扬程设计理论,采用控制变量法对叶轮进行多方案优化设计,对比不同方案计算结果可知:基于不等扬程理论优化设计的叶轮具有较好的水力性能,选择合适的后盖板无穷叶片数理论扬程系数,可使叶轮水力性能趋于最佳。对于该型离心式长轴泵,当后盖板无穷叶片数理论扬程系数取1.1时可获得较优的水力性能,对比较优方案的试验与计算结果可知:二者变化趋势相同,扬程、效率、轴功率的最大误差分别为4.02%、5.58%、3.59%,在(0.8~1.2)倍设计流量工况下,扬程、效率、轴功率的误差小。同时由试验可知:该型离心式长轴泵在设计流量时扬程大于97 m,效率高于82%,最高效率点出现在1.1倍设计工况附近为83.22%,曲线具有较宽的高效区和无过载特性,能够满足设计要求,在丰水期和枯水期均能高效稳定的运行,同时可降低电机的配套功率,减少一次成本投入。因此,该文的研究结果对离心式长轴的优化设计有较好的参考价值。     

离心泵进口来流速度扰动不确定性对水力性能及流场的影响

离心泵运行过程中其进口来流速度随时间的波动对泵的水力性能具有不可忽略的影响,该研究采用非嵌入式多项式混沌（non-intrusive polynomial chaos, NIPC）方法对进口来流速度扰动的不确定性进行量化分析,探究其对离心泵水力性能的影响。结果表明：随机来流速度对泵的水力性能具有较大影响,且不确定度越大,其影响越大;进口来流速度扰动会引起泵叶片压力面尾缘与吸力面上压力分布及叶轮流道内流场的变化,从而造成泵的扬程及效率的波动且波动范围较大;同时,来流不确定性的影响在叶轮内流场中的传播是非对称且非均匀的。不同工况下来流速度随时间的扰动对泵性能的影响有所差异,大部分工况下来流速度扰动会造成泵性能的下降,其中不确定度为5%时,扬程最大可下降0.4 m,效率下降3%。对不同工况下泵的进口流速不确定性进行量化分析,能够对离心泵在整个运行工况下的稳健性进行综合评定,为泵稳健性设计提供一定的基础。     

离心泵叶轮内部流场的数值计算

为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足,该文基于流体的连续方程和运动方程,用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算,S1流面上采用有限单元法、S2流面上采用流线曲率法,2类流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明,叶轮内部相对速度分布合理,叶片头部受冲击作用,压力面和吸力面流速相差较大。叶轮内部压力分布从进口到出口逐渐增大,梯度较小,叶轮做功平稳,进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后,对比传统一元理论方法的计算结果,计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大,在叶轮进口段差别最大,具有较强的三维特征,表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。     

叶片厚度对轴流泵性能影响及内部流场分析

为研究叶片厚度对轴流泵性能影响及其内部流场变化规律,该文采用圆弧法和流线法进行比转速550、转速2900r/min的QY90-4.4-1.5型潜水轴流泵水力模型设计,完成产品开发及样机型式试验。通过加厚叶轮叶片进行对比试验,阐明泵流量—扬程、流量—轴功率和流量—效率曲线产生差别的原因。采用计算流体动力学(CFD)方法进行叶片厚度对流场影响的数值计算,得到最优工况叶片表面相对速度分布和不同工况叶片表面静压分布。经过分析,阐明薄叶片总体性能优于厚叶片,但抗汽蚀性能可能劣于厚叶片。厚叶片翼型脱流、叶片进出口出现回流及二次流情况更为严重,水力损失较大,是泵效率等性能参数偏低的主要原因。